Ультразвуковое устройство для измерения параметров жидкостей Советский патент 1993 года по МПК G01N29/02 

СЛ

С

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для исследования физических и физико-химических свойств жидкостей в научной практике, а также нефтяной, химической, микробиологической и других отраслях промышленности для контроля физических свойств рабочих жидкостей. Цель изобретения - повышение производительности измерения коэффициента поглощения ультразвука, расширение диапазона измерения плотности в области вязких жидкостей и повышение точности измерения вязкости. Между пьезопреобразовэтелем 3 и отражателем устанавливают стоячую волну. При этом через две нижние секции соленоида 21 протекает нарастающий ток и отражатель начинает двигаться вверх. Огибающая с ам

18

J

N ю

3

СА 00

плитудного детектора 5 дает информацию о коэффициенте поглощения ультразвука. При подключении третьей секции соленоида отражатель 4 достигает верхнего положения. Через две верхние секции соленоида 21

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для исследования физико-химических свойств жидкостей в научной практике; в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, а также морском и речном-флоте для контроля физических свойств рабочих жидкостей..

Известно ультразвуковое устройство для контроля параметров жидкостей, содержащее генератор колебаний, автоклав с преобразователем и поршнем-отражателем, последовательно соединенные детектор, вход которого соединен с преобразователем усилитель, формирователь импульсов и счетчик, а также осциллограф.

Известно также ультразвуковое устройство для контроля параметров жидкостей, содержащее автоклав с пьезопреобразова- телем и поршнем-отражателем, первый блок согласования, включенный между генератором колебаний и пьезопреобразовате- лем, второй блок согласования, включенный между преобразователем и детектором, последовательно соединенные схему запрета, вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, ключ, обмотку управления и геркон, первый контакт которого предназначен для подключения к соленоиду, последовательно соединенные блоком регулировки стабилизированного напряжения, и измерительный прибор, выход которого подключен к второму контакту геркона, схему установки О, выход которой соединен с входом ключа, схема запрета индикации, включенную между формирователем импульсов и измерительным прибором и соединенный со схемой установки О, первый частотомер, вход которого соединен с выходом генератора колебаний, и второй частотомер, включенный между формирователем импульсов и генератором колебаний.

Недостатками известного устройства являются:

низкая производительность определения коэффициента поглощения ультразвука, так как его расчет осуществляется вручную по осциллограмме, записанной на фотобумагу;

протекает с убыванием ток и отражатель достигает нижнего положения. Значение тока в соленоиде для крайних положений отражателя 4 и дает значение плотности жидкости. 1 ил.

не позволяет проводить определение плотности вязких жидкостей, так как точность измерения плотности зависит от вязкости жидкости;

низкая точность измерения вязкости, так как измерение частоты следования импульсов, по которой определяется вязкость, осуществляется на протяжении всей последовательности импульсов, включая участки

ускоренного и замедленного движения поршня-отражателя.

Целью изобретения является повышение производительности измерений, расширение диапазона измерения плотности и

повышение точности измерения вязкости,

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор колебаний, пьезопреобразователь, цилиндр-отражатель, последовательно соединенные

амплитудный детектор, вход которого соединен с пьезопреобразователем и генератором колебаний, второй выход которого соединен с первым частотомером, усилитель низкой частоты, выход которого соединен с входом формирователя прямоугольных импульсов и второго частотомера, а также источник линейно изменяющегося напряжения, пусковой вход которого соединен с выходом одновибратора, а выход - через

цифровой амперметр с коммутатором секций соленоида, первый вход управления которого соединен с выходом конца измерений цифрового амперметра, включены пиковый детектор, программный счетчик импульсов,

формирователь длинного импульса, формирователь импульсов по фронту и срезу, кольцевой счетчик импульсов и трехканальный усилитель. При этом вход пикового детектора соединен с выходом усилителя низкой

частоты, вход сброса соединен с пусковым входом первого частотомера, выходом одновибратора, входом сброса счетчика импульсов и входом сброса программного счетчика импульсов, вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов, выход соединен с пусковым входом счетчика импульсов, вторым входом управления коммутатора секций соленоида, три выхода которого через трехканальный

усилитель соединены с тремя секциями соленоида, вторым пусковым входом источника линейно изменяющегося напряжения и вторым выходом кольцевого счетчика импульсов, первый выход которого соединен с пусковым входом цифрового амперметра и первым фиксирующим входом источника линейно изменяющегося напряжения, третий выход соединен со вторым пусковым входом цифрового амперметра и третьим фиксирующим входом источника линейно изменяющегося напряжения, четвертый выход соединен с входом остановки счетчика импульсов, а вход соединен с выходом формирователя длинного импульса, вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты, при этом информационные выходы первого и второго частотомеров, пикового детектора, счетчика импульсов и цифрового амперметра, а также выходы конца измерений счетчика импульсов и цифрового амперметра соединены с интерфейсом микропроцессора.

На чертеже представлена блок-схема ультразвукового устройства для комплексных измерений параметров жидкостей.

Устройство содержит генератор 1 колебаний, цилиндр 2 с пьезопреобразователем 3 и поршнем-отражателем 4, последовательно соединенные амплитудный детектор 5, вход которого соединен с пьезопреобразователем 3 и генератором 1 колебаний, усилитель 6 низкой частоты, выход которого соединен с входами пикового детектора 7, формирователя 8 прямоугольных импульсов и формирователя 9 длинного импульса, который последовательно соединен с формирователем 10 импульсов по фронту и срезу и кольцевым счетчиком 11 импульсов, первый выход которого соединен с первым фиксирующим входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения, с первым пусковым входом цифрового амперметра 13 и пусковым входом пикового детектора 7, второй выход соединен со вторым пусковым входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения, вторым входом коммутатора 14 секций соленоида, пусковыми входами счетчика 15 импульсов и программного счетчика 16 импульсов третий выход соединен с третьим фиксирующим входом исто.чника 12 линейно изменяющегося напряжения и вторым пусковым входом цифрового амперметра 13, четвертый выход соединен с входом остановки счетчика 15 импульсов, выход Конец измерения которого, а также информационный выход соединены с интерфейсом 17 микропроцессора 18, а вход соединен с выходом формирователя 8 прямоугольных импульсов, выход которого соединен также с входом программного счетчика 16 импульсов и входом второго частотомера 19, пусковой вход которого соединен с выходом программного счетчика 16 импульсов, а информационный выход - с интерфейсом 17 микропроцессора 18. 5Кроме того устройство включает трехка- нальный усилитель 20, три выхода которого соединены с тремя секциями соленоида 21, а три входа которого соединены с выходами коммутатора 14 секций соленоида, первый

0 вход управления которого соединен с выходом Конец измерений цифрового амперметра 13 и интерфейсом 17 микропроцессора 18. Первый частотомер 22, вход которого сое- динен с выходом генератора 1 колебаний, а

5 пусковой вход с выходом одновибратора 23, этот же выход которого соединен с пусковым входом источника 12 линейно изменяющегося напряжения, входами сброса счетчика 15 импульсов, программного счет0 чика импульсов, пикового детектора 7 и интерфейса 17 микропроцессора 18.

Информационные выходы первого 22 и второго 19 частотомеров, пикового детектора 7, счетчика импульсов 15 и цифрового

5 амперметра 13 соединены с интерфейсом 17 микропроцессора 18.

Устройство работает следующим образом,

Непрерывные высокочастотные колеба0 ния с выхода генератора 1 колебаний посту- пают на пьезопреобразователь 3, который преобразует электрические колебания в акустические волны соответствующей частоты в жидкости. Между пьезопреобразова5 телем 3 и торцом поршня-отражателя 4, находящемся а крайнем нижнем положении, устанавливается стоячая волна.

При запуске одновибратора 23 на его выходе формируется импульс, приводящий

0 в исходное состояние счетчик 15 импульсов программный счетчик 16 импульсов пиковый детектор 7, интерфейс 17 микропроцессора 18, запускает первый частотомер 22 и источник 12 линейно изменяющегося на5 пряжения, на выходе которого напряжение начинает линейно нарастать, При этом через две нижние секции соленоида 21 начинает протекать с линейным нарастанием ток. По достижении некоторого значения то0 ка поршень-отражатель 4 приходит во флотационное равновесие с последующим его ; нарушением и начинает двигаться вверх в крайнее верхнее положение. С этого момента пьезопреобразователь 3 начинает реаги5 ровать на изменение фазы стоячей волны в соответствии с перемещением поршня-отражателя 4, амплитудно модулируя непрерывные высокочастотные колебания генератора 1. Пррмодулированные таким образом колебания поступают на амплитудный детектор 5, который выделяет огибающую. Полученный низкочастотный сигнал усиливается усилителем низкой 6 частоты, с выхода которого он поступает на вход формирователя 9 длинного импульса, который вырабатывает прямоугольный импульс длительностью, соответствующей времени движения поршня-отражателя 4 из одного крайнего положения в другое. Этот импульс далее поступает на формирователь 10 импульсов по фронту и срезу, который по переднему фронту и срезу (заднему фронту) вырабатывает короткие прямоугольные импульсы, поступающие на кольцевой счетчик 11 ммпульсрв.

Первый импульс, сформированный по фронту первого длинного импульса и соответствующий моменту нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя 4, с первого выхода кольцевого счетчика 11 импульсов поступает на первый фиксирующий вход источника 12 линейно изменяющегося напряжения, вызывая фиксацию достигнутого значения тока в первых двух секциях соленоида 21. Этот же импул ьс поступает на первый пусковой вход цифрового амперметра 13, который измеряет зафиксированное значение тока. Этот же импульс поступает на пусковой вход пикового детектора 7 и запускает его на измерение амплитуды затухающих колебаний сигнала, поступающего на его вход с выхода усилителя 6 низкой частоты. По результатам измерения амплитуды микропроцессорный блок определяет коэффициент поглощения ультразвука.

По окончанию измерений цифровой амперметр 13 вырабатывает сигнал, который с выхода Конец измерений поступает в микропроцессорный блок, который считывает измеренное значение тока и на первый вход управления коммутатора секций соленоида 14, который подключает к источнику 12 линейно изменяющегося напряжения и третью секцию соленоида 21. При этом поршень-отражатель 4 движется под действием суммарного поля трех секций соленоида 21 до своего крайнего верхнего положения в цилиндре 2.

При достижении крайнего верхнего положения в цилиндре 2 поршнем-отражателем 4 сигнал на выходе усилителя 6 низкой частоты прекращается и формирователь 9 длинного импульса формирует задний фронт (срез) длинного импульса. По заднему фронту длинного импульса формирователь 10 импульсов по фронту и срезу вырабатывает короткий прямоугольный импульс, поступающий на вход кольцевого счетчика 11 импульсов. В соответствие этому импульсу на втором выходе кольцевого счетчика 11

импульсов появляется сигнал. Этот сигнал поступает: на пусковые входы программного счетчика 16 импульсов и счетчика 15 импульсов и запускает их на второй вход

управления коммутатора 14 секций соленоида, который отключает от источника 12 линейно изменяющегося напряжения нижнюю секцию трехсекционного соленоида 21 оставляя под напряжением среднюю

0 и верхнюю секциигна второй пусковой вход источника 12 линейно изменяющегося напряжения, на выходе которого напряжение начинает линейно убывать. При этом через две верхние секции соленоида 21 начинает

5 протекать с линейным убыванием ток. По достижении некоторого значения тока поршень-отражатель 4 приходит во флотационное равновесие под действием трех сил - тяжести, архимедовой и электромагнитной,

0 с последующим его нарушением и начинает двигаться вниз в крайнее нижнее положение. С этого момента начинается формирование сигнала аналогично как и при движении поршня - отражателя вверх. На

5 выходе формирователя 9 длинного импул ь- са появляется второй прямоугольный импульс длительностью, соответствующей времени движения поршня отражателя 4 из верхнего крайнего положения в нижнее. По

0 переднему и заднему фронту (срезу) этого импуЬьса формирователь 10 импульсов по фронту и срезу вырабатывает короткие прямоугольные импульсы, поступающие на кольцевой счетчик 11 импульсов.

5Короткий прямоугольный импульс, сформированный по фронту второго длинного импульса и соответствующий моменту нарушения флотационного равновесия поршня-отражателя 4 в крайнем верхнем поло0 жении в цилиндре 2, с третьего выхода кольцевого счетчика 11 импульсов поступает на второй фиксирующий вход источника 12 линейно изменяющегося напряжения, вызывая фиксацию достигнутого значения

5 тока в двух верхних секциях соленоида 21. Этот же импульс поступает на второй пусковой вход цифрового амперметра 13,который измеряет зафиксированное значение тока и по окончании измерений вырабатывает сиг0 нал который с выхода Конец измерений поступает в микропроцессорный блок, который считывает измеренное значение тока и по полученным значениям тока для крайнего нижнего и крайнего верхнего положения

5 поршня-отражателя 4 осуществляют расчет плотности исследуемой жидкости. Сигнал с выхода Конец измерения поступает также на первый вход управления коммутатора секций соленоида 14, который обесточивает соленоид 21, и поршень-отражатель 4 начинает свободно двигаться вниз в кольцевом зазоре жидкости в цилиндре 2 под действием силы тяжести.

С выхода формирователя 8 прямоугольных импульсов прямоугольные импульсы; соответствующие акустическому сигналу, поступают на вход второго частотомера 19 и на вход программного счетчика 16 импульсов, который по достижению заданного числа импульсов, который по достижению заданного числа импульсов, соответствующих положению поршня-отражателя 4 в средней части цилиндра 2, вырабатывает сигнал который с его выхода поступает на пусковой вход частотомера 19, который осу- ществляет частоту следования прямоугольных импульсов на его входе. По отношению высокой частоты генератора 1, измеряемой частотомером 22, и частоте следования прямоугольных импульсов с формирователя 8 прямоугольных импульсов микропроессор- ный блок осуществляют расчет вязкости исследуемой жидкости.

За время движения поршня-отражателя 4 из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение прямоугольные импульсы с выхода формирователя 8 прямоугольных импульсов поступают также на вход счетчика 15 импульсов, который подсчитывает их число. По числу импульсов, соответствующих максимумам акустической стоячей волны на известной длине хода поршня-отражателя 4, микропроессорный блок производит расчет скорости ультразвуковой волны в исследуемой жидкости.

При достижении поршнем-отражателем 4 крайнего нижнего положения в цилиндре 2 сигнал на выходе усилителя 6 низкой частоты прекращается и формирователь 9 длинного импульса формирует заданный фронт(срез) длинного импульса. По заднему

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для измерения параметров жидкостей, содержащее поел едовательно электроакустически соединенные генератор колебаний, льезоп- реобразователь с отражателем, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты, формирователь прямоугольных импульсов и счетчик, первый частотомер, подключенный к выходу генератора колебаний, второй частотомер, подключенный к выходу формирователя прямоугольных импульсов, цилиндр, в котором расположены пьезоизлуматель с отражателем, и размещенный вокруг цилиндра соленоид, отличающееся тем, что.

фронту длинного импульса формирователь

10 импульсов по фронту и срезу вырабатывает короткий прямоугольный импульс поступающий на вход кольцевого счетчика 11 импульсов. В соответствие этому импульсу на четвертом выходе кольцевого счётчика

11 импульсов появляется сигнал, который поступает на вход остановки счетчика 15 импульсов. По приходу этого сигнала счетчик 15 импульсов прекращает счет и выдает импульс на выходе Конец измерений, который поступает в микропроцессорный блок и после периода которого производится сбор информации, зафиксированной в первом 22 и втором 19 частотомерах ив счетчике импульсов 15.

Предлагаемое устройство позволяет:

с целью повышения производительности, расширения диапазона измерения плотности и повышения точности измерения вязкости, оно снабжено последовательно соединенными одновибратором, источником линейно изменяющегося напряжения, цифровым амперметром, коммутатором и трехканальным усилителем, последовательно соединенными формирователем прямоугольных длинных импульсов, вход которого

подключен к выходу усилителя низкой частоты, формирователем, импульсов по фронту и срезу и кольцевым счетчиком, последовательно соединенным пиковым детектором, вход которого подключен к выходу усилители низкой частоты, и интерфейсом

микропроцессора и программным счетчиком, входом подключенным к выходу формирователя прямоугольных импульсов, выход одновибратора подключен к входам сброса счетчика импульсов, интерфейса микропроцессора, пикового детектора и программного счетчика и к пусковому входу первого частотомера, информационные выходы частотомеров, цифрового амперметра, счетчика импульсов и пикового детектора подключены к интерфейсу микропроцессора, первый выход кольцевого счетчика связан с вторыми входами цифрового амперметра и источника линейно изменяющегося напряжения и с входом пуска пикового детектора, второй выход кольцевого счетчика подключен к второму входу крмму0

5

татора, третьему входу источника линейно изменяющегося напряжения и пусковым входам счетчика импульсов и программного счетчика, третий выход кольцевого счетчика связан с третьим входом цифрового амперметра и с четвертым входом источника линейно изменяющегося напряжения, четвертый выход кольцевого счетчика связан с входом остановки счетчика импульсов, выход окончания измерений которого подключен к интерфейсу микропроцессора, выход окончания измерения цифрового амперметра подключен к третьему входу коммутатора и к интерфейсу микропроцессора, а соленоид выполнен из трех секций, подключенных к соответствующим выходам трехканального усилителя.